تاریخچه دیود خلأ و استفاده‌های متنوع از آن
دیود خلأ اولین وسیله الکترونیکی بود که امکان تقویت و تشخیص سیگنال های الکتریکی را فراهم کرد. این وسیله در سال 1904 توسط جان آمبروز فلمینگ، مهندس برق و فیزیکدان انگلیسی اختراع شد.
فلمینگ در آن زمان برای شرکت مارکونی کار می کرد که در توسعه سیستم های تلگراف بی سیم نقش داشت. او در حال آزمایش با دستگاهی به نام «همسفر» بود که برای تشخیص امواج رادیویی استفاده می‌شد. منسجم یک لوله شیشه ای پر از براده های فلزی بود که وقتی موج رادیویی از آن عبور می کرد به هم می چسبید و به جریان الکتریکی کوچکی اجازه می داد که جریان یابد. با این حال، منسجم محدودیت‌هایی داشت، از جمله زمان پاسخ آهسته و تمایل به گیر کردن و نیاز به ضربه دستی برای تنظیم مجدد.
فلمینگ متوجه شد که می تواند با افزودن الکترود دوم به نام “صفحه” در داخل لوله، عملکرد منسجم را بهبود بخشد. این کار یک جریان یک طرفه یا “تصحیح” ایجاد می‌کرد که به دستگاه اجازه می داد به عنوان یک آشکارساز عمل کند و سیگنال ها را تقویت کند. به این ترتیب دیود خلأ متولد شد.
دیود خلأ یک پیشرفت کلیدی در توسعه الکترونیک بود و راه را برای اختراع سه‌راهی هموار کرد که وسیله‌ای همه‌کاره‌تر بود که می‌توانست سیگنال‌ها را تقویت کند و به عنوان سوئیچ عمل کند. سه گانه توسط مهندس آمریکایی لی دی فارست در سال 1906 اختراع شد.
استفاده از دیود خلأ تا زمان توسعه دیودهای حالت جامد در دهه 1950 در کاربردهای مختلف از جمله رادیوها ادامه یافت. امروزه دیودهای خلاء هنوز در برخی کاربردهای تخصصی مانند تقویت کننده های مایکروویو پرقدرت و در برخی از انواع روشنایی استفاده می شوند.
دیود خلأ بر اساس اصل گسیل ترمیونی بود، که زمانی رخ می‌دهد که فلز تا دمای بالا گرم می‌شود و باعث می‌شود برخی از الکترون‌های موجود در فلز به فضای اطراف گسیل شوند. در دیود خلاء، کاتد (الکترودی که الکترون ساطع می کند) توسط رشته ای گرم می شد که باعث می شد الکترون ها به فضای خلاء داخل لوله گسیل شوند. آند (یا صفحه) در مجاورت کاتد قرار گرفت و اختلاف ولتاژ بین دو الکترود اعمال شد. این باعث ایجاد جریان الکترون از کاتد به آند شد و یک جریان جریان ایجاد کرد.
از آنجایی که دیود خلأ یک دستگاه یک طرفه بود، می‌توان از آن برای تصحیح سیگنال‌های جریان متناوب (AC) و تبدیل آنها به جریان مستقیم (DC) استفاده کرد. این یک کاربرد مهم در گیرنده های رادیویی اولیه بود که برای کار کردن به منبع تغذیه DC نیاز داشتند. دیود خلاء نیز به عنوان تقویت کننده، با اعمال یک سیگنال کوچک به شبکه (الکترود سومی که به دستگاه اضافه شد) و کنترل جریان الکترون ها از کاتد به آند استفاده شد.
یکی از محدودیت‌های دیود خلأ این بود که برای کار کردن به ولتاژ بالایی نیاز داشت، معمولاً چند صد ولت. این امر استفاده از آن را در دستگاه های قابل حمل یا برنامه های ولتاژ پایین دشوار می کرد. محدودیت دیگر این بود که فضای خلاء داخل لوله در نهایت با یون های فلزی آلوده می شد و عملکرد دستگاه را کاهش می داد. این محدودیت ها با اختراع دیود حالت جامد، که از یک ماده نیمه هادی به جای فضای خلاء استفاده می کرد، برطرف شد.
علیرغم محدودیت‌هایش، دیود خلأ یک پیشرفت کلیدی در تاریخ اولیه الکترونیک بود و راه را برای توسعه بسیاری از وسایل الکترونیکی دیگر از جمله تریود، تترود و پنتود هموار کرد. امروزه دیودهای خلاء هنوز در برخی کاربردهای تخصصی مانند تقویت کننده های مایکروویو پرقدرت مورد استفاده قرار می گیرند و همچنین در برخی از انواع روشنایی مانند لوله های فلورسنت و علائم نئون استفاده می شوند.
دیود خلأ تأثیر قابل توجهی در توسعه صنعت ارتباطات از راه دور داشت، زیرا امکان انتقال و دریافت سیگنال های رادیویی را در فواصل طولانی فراهم می کرد. در روزهای اولیه رادیو، دیودهای خلاء در مجموعه‌های کریستالی استفاده می‌شد که گیرنده‌های رادیویی ساده‌ای بودند که از کریستال و سیم پیچ تنظیم برای انتخاب و تقویت سیگنال‌های رادیویی استفاده می‌کردند. دیودهای خلاء در گیرنده‌های رادیویی پیشرفته‌تر مانند گیرنده‌های سوپرهتروداین نیز استفاده می‌شد که از ترکیبی از لوله‌های خلاء و سایر اجزا برای بهبود گزینش پذیری و حساسیت گیرنده استفاده می‌کردند.
دیود خلأ علاوه بر استفاده در گیرنده های رادیویی، در رایانه های الکترونیکی اولیه نیز مورد استفاده قرار می گرفت. اولین کامپیوتر دیجیتال الکترونیکی، کامپیوتر Atanasoff-Berry، که در اواخر دهه 1930 ساخته شد، از لوله های خلاء به عنوان سوئیچ و تقویت کننده استفاده می کرد.
دیود خلأ در زمینه فناوری اشعه ایکس نیز کاربرد داشت. در روزهای اولیه تصویربرداری اشعه ایکس، از دیودهای خلاء برای تولید اشعه ایکس با شتاب دادن الکترون ها از کاتد به آند استفاده می شد. این تکنیک امروزه هنوز در برخی از انواع دستگاه های اشعه ایکس استفاده می شود.
دیود خلأ نیز نقش کلیدی در توسعه تلویزیون ایفا کرد. در روزهای اولیه تلویزیون، از لوله های خلاء در دوربین و گیرنده برای تقویت و تشخیص سیگنال ویدئویی استفاده می شد. اولین تلویزیون های تجاری موجود، که در اواخر دهه 1940 معرفی شدند، به طور گسترده ای از لوله های خلاء استفاده می کردند.
امروزه از دیودهای خلأ در کاربردهای تخصصی که نیاز به کارکرد با توان و فرکانس بالا است استفاده می شود. به عنوان مثال، دیودهای خلاء در برخی از انواع سیستم های رادار، تقویت کننده های مایکروویو و شتاب دهنده های ذرات استفاده می شوند. با این حال، برای اکثر کاربردها، دیودهای حالت جامد به دلیل هزینه کمتر، اندازه کوچکتر و طول عمر بیشتر ترجیح داده می شوند.
دیود خلأ همچنین کاربردهای نظامی مهمی داشت، به ویژه در طول جنگ جهانی دوم. لوله‌های خلأ در طیف وسیعی از کاربردهای نظامی، از جمله سیستم‌های راداری، تجهیزات ارتباطی و اقدامات متقابل الکترونیکی مورد استفاده قرار گرفتند. توسعه لوله‌های خلاء با قدرت بالا، مانند کلیسترون و مگنترون، نقش کلیدی در توسعه فناوری رادار ایفا کرد که برای پیروزی متفقین در جنگ بسیار مهم بود.
دیود خلأ نیز در توسعه خود رشته الکترونیک نقش داشت. لوله خلاء دستگاه الکترونیکی غالب در قرن بیستم بود و در طیف وسیعی از کاربردها از رادیو و تلویزیون گرفته تا رایانه و ابزار الکترونیکی استفاده می‌شد. لوله خلاء در نهایت با ترانزیستور جایگزین شد که در سال 1947 اختراع شد و نشان دهنده یک پیشرفت بزرگ در فناوری الکترونیک بود. ترانزیستور کوچکتر، قابل اعتمادتر و کارآمدتر از لوله های خلاء بود و راه را برای توسعه مدارهای مجتمع و ریزپردازنده ها هموار کرد که دنیای الکترونیک را متحول کردند.
علیرغم پیشرفت‌های بسیاری در فناوری الکترونیک که از زمان اختراع دیود خلأ انجام شده است، امروزه از لوله‌های خلاء و دیودهای خلاء در برخی کاربردهای تخصصی استفاده می‌شود. به عنوان مثال، لوله‌های خلاء هنوز در تجهیزات صوتی پیشرفته استفاده می‌شوند، جایی که صدای گرم و ویژگی‌های منحصربه‌فرد آنها مورد توجه علاقه‌مندان به موسیقی است. دیودهای خلأ همچنین در برخی از انواع روشنایی مانند لوله های فلورسنت و علائم نئون و در کاربردهای تخصصی مانند تقویت کننده های مایکروویو پرقدرت و دستگاه های اشعه ایکس استفاده می شود.
اختراع دیود خلأ همچنین راه را برای توسعه لوله اشعه کاتدی (CRT) هموار کرد که یک جزء کلیدی در توسعه نمایشگرهای تلویزیون و کامپیوتر بود. CRT در اصل یک لوله خلأ با یک تفنگ الکترونی است که جریانی از الکترون ها را بر روی صفحه فسفری ساطع می کند و یک تصویر قابل مشاهده ایجاد می کند. CRT ها سال ها در تلویزیون ها و مانیتورهای کامپیوتر استفاده می شدند تا اینکه تا حد زیادی با نمایشگرهای صفحه تخت مانند صفحه نمایش LCD و LED جایگزین شدند.
دیود خلأ نیز کاربردهای علمی مهمی داشت. در روزهای اولیه فیزیک ذرات، از لوله های خلاء برای شتاب دادن و دستکاری پرتوهای ذرات باردار مانند الکترون ها و پروتون ها استفاده می شد. توسعه لوله‌های خلاء با قدرت بالا، مانند کلیسترون و مگنترون، نقش کلیدی در توسعه شتاب‌دهنده‌های ذرات ایفا کردند که امروزه نیز در طیف گسترده‌ای از تحقیقات علمی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در نهایت، دیود خلأ یک پیشرفت مهم در تاریخ تکنولوژی بود، زیرا نشان دهنده یک پیشرفت بزرگ در دستکاری و کنترل جریان های الکتریکی بود. دیود خلأ راه را برای توسعه بسیاری از وسایل الکترونیکی دیگر از جمله تریود، تترود و پنتود هموار کرد که امکان توسعه مدارها و سیستم های الکترونیکی پیچیده تری را فراهم کرد. امروزه، دیود خلأ بخش مهمی از تاریخ الکترونیک باقی مانده است و تاثیر آن هنوز در بسیاری از زمینه های فناوری و علم قابل لمس است.
